CN110501589A - 一种asic闩锁模拟和保护系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种ASIC闩锁模拟和保护系统及方法，其特征在于，包括信号源、电压‑电荷转换电路、数字电压源和计算机；所述信号源用于产生电压脉冲信号，并发送至所述电压‑电荷转换电路；所述电压‑电荷转换电路用于将电压脉冲信号转换为电荷信号，并发送至ASIC器件读出电路，使得ASIC器件发生闩锁或抑制ASIC器件发生闩锁；所述数字电压源用于实时监测所述ASIC器件读出电路的供电电流值，并为所述电压‑电荷转换电路和ASIC器件读出电路供电；所述计算机用于根据实时监测的供电电流值和预先设定的正常工作电流值，控制所述数字电压源的开启或关闭，本发明可以广泛应用于粒子探测领域中。

Description

一种ASIC闩锁模拟和保护系统及方法
技术领域
本发明是关于一种ASIC(应用型专用集成电路)闩锁模拟和保护系统及方法，属于粒子探测领域。
背景技术
当今时代，在宇宙空间进行实验、探索、开发和利用，已经成为全世界诸多大国竞相争取的一个技术髙点，各国家还针对性地制定了详细明确的空间探索发展计划，将航空航天技术作为未来若干年国家核心竞争力和国家安全核心战略的重要组成部分。伴随着中国空间探索的不断发展进步，空间带电粒子探测是进行空间探测的一项重要内容，其目标一般是针对空间中的高能电子、质子以及重离子的能量、通量的分布特征以及变化规律进行研究。研究空间带电粒子可以对航天器的设计以及宇航员的保护提供重要的参考依据。对于空间带电粒子的探测，所需要的粒子探测器种类越来越多、面积越来越大，所需要的电子学通道数就越来越多。分立元件搭建的电子学系统具有功耗高、体积大、成本高等缺点，所以具有集成度高的ASIC成为首选例如VA160。在宇宙外层空间中存在的辐射环境中，单粒子效应将导致ASIC等器件中节点损坏或存储信息发生变化，进而导致整个系统崩溃，造成不可预测的严重后果，ASIC等器件的可靠性直接决定卫星的安全。
上个世纪七八十年代，根据美国国家地球物理数据中心统计，美国发射的39颗同步卫星共发生1589次故障，其中，71％的故障来源于各种单粒子效应。有关研究机构在对中国发射的6颗通信卫星的故障分析中发现，由单粒子效应所导致的故障为12次，在总故障中的比例也达到40％，这些数据充分说明了粒子效应对卫星的危害十分严重。如果在地面上可以方便地模拟ASIC闩锁并采取相应的保护方法来防护闩锁发生，将极大地提高航天器的可靠性。
然而，现有的模拟ASIC闩锁常采用脉冲激光模拟单粒子闩锁效应，或重离子加速器产生束流模拟单粒子闩锁效应。无论是选用激光模拟还是加速器束流模拟，均需要一个辐照测试平台，研发周期和成本均很高。另外，进行上述实验的实验费用很高，例如重离子束流每小时的成本费用为2万元。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种成本低且简单方便的ASIC闩锁模拟和保护系统及方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种ASIC闩锁模拟和保护系统，其特征在于，包括信号源、电压-电荷转换电路、数字电压源和计算机；所述信号源用于产生电压脉冲信号，并发送至所述电压-电荷转换电路；所述电压-电荷转换电路用于将电压脉冲信号转换为电荷信号，并发送至ASIC器件读出电路，使得ASIC器件发生闩锁或抑制ASIC器件发生闩锁；所述数字电压源用于实时监测所述ASIC器件读出电路的供电电流值，并为所述电压-电荷转换电路和ASIC器件读出电路供电；所述计算机用于根据实时监测的供电电流值和预先设定的正常工作电流值，控制所述数字电压源的开启或关闭。
进一步，所述电压-电荷转换电路包括匹配电阻、限流电阻、第一耦合电容和保护电路，其中，所述保护电路包括第一分压电阻、第二分压电阻、第一滤波电容、第二滤波电容、第一钳位二极管和第二钳位二极管；所述信号源的输出端并联连接所述匹配电阻和第一耦合电容，所述匹配电阻的另一端接地，所述第一耦合电容的另一端通过所述限流电阻并联连接所述第一钳位二极管的正向端、所述第二钳位二极管的反向端和所述ASIC器件读出电路的输入端；所述第一钳位二极管的反向端并联连接所述第一分压电阻、第二分压电阻和第一滤波电容，所述第一分压电阻的另一端连接所述数字电压源的正极，所述第二分压电阻和第一滤波电容的另一端均接地；所述第二钳位二极管的正向端并联连接所述数字电压源的负极和所述第二滤波电容，所述第二滤波电容的另一端接地。
进一步，所述第一耦合电容的取值为10nF，所述限流电阻的取值为1KΩ，所述第一分压电阻的取值为200Ω，所述第二分压电阻的取值为300Ω，所述第一滤波电容和第二滤波电容的取值为100nF。
进一步，所述信号源的输出设置为脉冲模式。
进一步，所述信号源产生的电压脉冲信号为正极电压脉冲信号或负极电压脉冲信号。
一种ASIC闩锁模拟和保护方法，其特征在于，包括以下内容：1)启动信号源，调节信号源的输出脉冲幅度，使得信号源产生电压脉冲信号，并发送至电压-电荷转换电路；2)电压-电荷转换电路将电压脉冲信号转换为电荷信号，并发送至ASIC器件读出电路，使得ASIC器件发生闩锁或抑制ASIC器件发生闩锁；3)数字电压源实时监测ASIC器件读出电路的供电电流值，并为电压-电荷转换电路和ASIC器件读出电路供电；4)计算机根据实时监测的供电电流值和预先设定的正常工作电流值，控制数字电压源的开启或关闭，若实时监测的供电电流值大于正常工作电流值，则控制数字电压源关闭，间隔一定时间再控制数字电压源开启。
进一步，所述步骤1)中信号源的输出设置为脉冲模式。
进一步，所述步骤1)中信号源产生的电压脉冲信号为正极电压脉冲信号或负极电压脉冲信号。
进一步，所述步骤2)中当电压-电荷转换电路不设置保护电路时，电压-电荷转换电路发送至ASIC器件读出电路的过载电荷信号使得ASIC器件发生闩锁；当电压-电荷转换电路设置有保护电路时，电压-电荷转换电路发送至ASIC器件读出电路的过载电荷信号不会使得ASIC器件发生闩锁。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于设置有信号源和电压-电荷转换电路，电压-电荷转换电路内设置有保护电路，既能够方便地使ASIC器件发生闩锁，又能够节省大量成本，并通过保护电路抑制ASIC器件发生闩锁，为星际环境粒子探测提供安全保障，具有较强的实用性和优越性，在以后的多项空间科学和工程任务有着广泛的应用前景。2、本发明的电压-电荷转换电路在没有设置保护电路的情况下，通过调节信号源的输出脉冲幅度，以及调节第一耦合电容和限流电阻，很容易产生所需要的过载电荷信号，以使ASIC器件发生闩锁，简单方便，经多次测试，电压-电荷转换电路上第一耦合电容容值不变，限流电阻的阻值增大后，闩锁临界电压的绝对值增大，电压-电荷转换电路上限流电阻阻值不变，第一耦合电容的容值减小后，闩锁临界电压的绝对值增大。3、本发明的电压-电荷转换电路在设置有保护电路的情况下，可以抑制ASIC器件发生闩锁，通过观察可以证明该保护电路能够有效抑制闩锁发生，为星际环境粒子探测及其它相关领域中的ASIC闩锁模拟提供简单有效的方式，可以广泛应用于粒子探测领域中。
附图说明
图1是本发明系统的结构示意图；
图2是本发明系统中电压-电荷转换电路的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1所示，本发明提供的ASIC闩锁模拟和保护系统包括信号源1、电压-电荷转换电路2、数字电压源3和计算机4。
信号源1用于产生一定幅度的电压脉冲信号，并发送至电压-电荷转换电路2，其中，信号源1的输出设置为Burst模式(脉冲模式)，按一次Trigger(触发)键即可输出一个电压脉冲信号，产生的脉冲信号正负极性均可。
电压-电荷转换电路2用于将电压脉冲信号转换为电荷信号，并发送至ASIC器件读出电路5，使得ASIC器件发生闩锁或抑制ASIC器件发生闩锁。
数字电压源3用于实时监测ASIC器件读出电路5的供电电流值，观察ASIC器件是否发生闩锁，并为电压-电荷转换电路2和ASIC器件读出电路5供电。
计算机4用于根据实时监测的供电电流值和预先设定的正常工作电流值，控制数字电压源3的开启或关闭。
在一个优选的实施例中，如图2所示，电压-电荷转换电路2包括匹配电阻R1、限流电阻R2、第一耦合电容C1和保护电路，其中，保护电路包括第一分压电阻R3、第二分压电阻R4、第一滤波电容C2、第二滤波电容C3、第一钳位二极管D1和第二钳位二极管D2。信号源1的输出端并联连接匹配电阻R1和第一耦合电容C1，匹配电阻R1的另一端接地，第一耦合电容C1的另一端通过限流电阻R2并联连接第一钳位二极管D1的正向端、第二钳位二极管D2的反向端和ASIC器件读出电路5的输入端。第一钳位二极管D1的反向端并联连接第一分压电阻R3、第二分压电阻R4和第一滤波电容C2，第一分压电阻R3的另一端连接数字电压源3的正极，第二分压电阻R4和第一滤波电容C2的另一端均接地。第二钳位二极管D2的正向端并联连接数字电压源3的负极和第二滤波电容C3，第二滤波电容C3的另一端接地。电压脉冲信号转换为电荷信号由匹配电阻R1、限流电阻R2和第一耦合电容C1完成，产生的电荷信号发送至ASIC器件读出电路5，保护电路用于抑制ASIC器件的闩锁发生。
在一个优选的实施例中，第一耦合电容C1的取值可以为10nF，限流电阻R2的取值可以为1KΩ，第一分压电阻R3的取值可以为200Ω，第二分压电阻R4的取值可以为300Ω，第一滤波电容C2和第二滤波电容C3的取值可以为100nF。
基于上述ASIC闩锁模拟和保护系统，本发明还提供一种ASIC闩锁模拟和保护方法，包括以下步骤：
1)将信号源1的输出设置为Burst模式，以能够手动控制信号源1的脉冲信号输出，按一次Trigger键即输出一个电压脉冲信号。
2)启动信号源1，调节信号源1的输出脉冲幅度，使得信号源1产生一定幅度的电压脉冲信号，并发送至电压-电荷转换电路2，该电压脉冲信号正负极性均可。
3)电压-电荷转换电路2将电压脉冲信号转换为电荷信号，并发送至ASIC器件读出电路5，当电压-电荷转换电路2不设置保护电路时，电压-电荷转换电路2发送至ASIC器件读出电路5的过载电荷信号(大约正常电荷信号的103倍以上)使得ASIC器件发生闩锁；当电压-电荷转换电路2设置有保护电路时，电压-电荷转换电路2发送至ASIC器件读出电路5的过载电荷信号不会使得ASIC器件发生闩锁。
4)数字电压源3实时监测ASIC器件读出电路5的供电电流值，观察ASIC器件是否发生闩锁，并为电压-电荷转换电路2和ASIC器件读出电路5供电。
5)计算机4根据实时监测的供电电流值和预先设定的正常工作电流值，控制数字电压源3的开启或关闭，若实时监测的供电电流值大于正常工作电流值(例如20mA)，则关闭数字电压源3，间隔一定时间后再开启数字电压源3，其中，间隔时间可以根据实际情况设定。
进一步地，当电压-电荷转换电路2不设置保护电路时，将信号源1的输入模式设置为Burst模式，调节信号源1的输出脉冲幅度，使得按一次Trigger键即输出一个电压脉冲信号，调节第一耦合电容和限流电阻并重复按Trigger键，即能够产生所需要的过载电荷信号，使得ASIC器件发生闩锁，通过数字电压源3上显示的供电电流值即可以观测到发送至ASIC器件的供电电流变大，计算机4根据实时监测的供电电流值和预先设定的正常工作电流值，控制数字电压源3关闭，间隔一定时间再控制数字电压源3开启，闩锁现象即可解除。当电压-电荷转换电路2设置有保护电路时，同样将信号源1的输入模式设置为Burst模式，使得按一次Trigger键即输出一个电压脉冲信号，第一钳位二极管D1和第二钳位二极管D2的钳位电压根据ASIC器件读出电路5的输入端共模电压的大小进行设置，但是重复多次也不会发生闩锁现象，证明该保护电路保护有效，原理是：当电荷信号过大时，使其钳位在相应电压上，以保护ASIC器件。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种ASIC闩锁模拟和保护系统，其特征在于，包括信号源、电压-电荷转换电路、数字电压源和计算机；
所述信号源用于产生电压脉冲信号，并发送至所述电压-电荷转换电路；
所述电压-电荷转换电路用于将电压脉冲信号转换为电荷信号，并发送至ASIC器件读出电路，使得ASIC器件发生闩锁或抑制ASIC器件发生闩锁；
所述数字电压源用于实时监测所述ASIC器件读出电路的供电电流值，并为所述电压-电荷转换电路和ASIC器件读出电路供电；
所述计算机用于根据实时监测的供电电流值和预先设定的正常工作电流值，控制所述数字电压源的开启或关闭。
2.如权利要求1所述的一种ASIC闩锁模拟和保护系统，其特征在于，所述电压-电荷转换电路包括匹配电阻、限流电阻、第一耦合电容和保护电路，其中，所述保护电路包括第一分压电阻、第二分压电阻、第一滤波电容、第二滤波电容、第一钳位二极管和第二钳位二极管；
所述信号源的输出端并联连接所述匹配电阻和第一耦合电容，所述匹配电阻的另一端接地，所述第一耦合电容的另一端通过所述限流电阻并联连接所述第一钳位二极管的正向端、所述第二钳位二极管的反向端和所述ASIC器件读出电路的输入端；
所述第一钳位二极管的反向端并联连接所述第一分压电阻、第二分压电阻和第一滤波电容，所述第一分压电阻的另一端连接所述数字电压源的正极，所述第二分压电阻和第一滤波电容的另一端均接地；
所述第二钳位二极管的正向端并联连接所述数字电压源的负极和所述第二滤波电容，所述第二滤波电容的另一端接地。
3.如权利要求2所述的一种ASIC闩锁模拟和保护系统，其特征在于，所述第一耦合电容的取值为10nF，所述限流电阻的取值为1KΩ，所述第一分压电阻的取值为200Ω，所述第二分压电阻的取值为300Ω，所述第一滤波电容和第二滤波电容的取值为100nF。
4.如权利要求1所述的一种ASIC闩锁模拟和保护系统，其特征在于，所述信号源的输出设置为脉冲模式。
5.如权利要求1所述的一种ASIC闩锁模拟和保护系统，其特征在于，所述信号源产生的电压脉冲信号为正极电压脉冲信号或负极电压脉冲信号。
6.一种ASIC闩锁模拟和保护方法，其特征在于，包括以下内容：
1)启动信号源，调节信号源的输出脉冲幅度，使得信号源产生电压脉冲信号，并发送至电压-电荷转换电路；
2)电压-电荷转换电路将电压脉冲信号转换为电荷信号，并发送至ASIC器件读出电路，使得ASIC器件发生闩锁或抑制ASIC器件发生闩锁；
3)数字电压源实时监测ASIC器件读出电路的供电电流值，并为电压-电荷转换电路和ASIC器件读出电路供电；
4)计算机根据实时监测的供电电流值和预先设定的正常工作电流值，控制数字电压源的开启或关闭，若实时监测的供电电流值大于正常工作电流值，则控制数字电压源关闭，间隔一定时间再控制数字电压源开启。
7.如权利要求6所述的一种ASIC闩锁模拟和保护方法，其特征在于，所述步骤1)中信号源的输出设置为脉冲模式。
8.如权利要求6所述的一种ASIC闩锁模拟和保护方法，其特征在于，所述步骤1)中信号源产生的电压脉冲信号为正极电压脉冲信号或负极电压脉冲信号。
9.如权利要求6所述的一种ASIC闩锁模拟和保护方法，其特征在于，所述步骤2)中当电压-电荷转换电路不设置保护电路时，电压-电荷转换电路发送至ASIC器件读出电路的过载电荷信号使得ASIC器件发生闩锁；当电压-电荷转换电路设置有保护电路时，电压-电荷转换电路发送至ASIC器件读出电路的过载电荷信号不会使得ASIC器件发生闩锁。
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